SPRAWNOŚĆ HYDROSTATYCZNYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH WOLNOBIEŻNYCH PLATFORM TERENOWYCH

Transkrypt

1 Karol KOŃCZALSKI, Maria J. ŁOPATKA, Mirosław PRZYBYSZ, Arkadiusz RUBIEC SPRAWNOŚĆ HYDROSTATYCZNYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH WOLNOBIEŻNYCH PLATFORM TERENOWYCH W artykule omówioo zagadieie sprawości hydrostatyczych układów apędowych stosowaych w wolobieżych platformach tereowych, które moża wykorzystywać p. do trasportu w trudodostępym tereie. Przedstawioo, przy tym krótką charakterystykę tego typu platform. Następie omówioo, zagadieie sprawości apędów hydrostatyczych oraz czyiki, które w główej mierze decydują o wartości mocy rozpraszaej w układzie hydrostatyczym. Scharakteryzowao dwa główe rodzaje sprawości występujących w jedostkach hydrostatyczych (wolumetryczą i mechaiczo hydrauliczą). Następie dokoao porówaia sprawości kilku silików hydrauliczych przy jedakowych warukach obciążeia. WSTĘP Coraz częściej ludzie wykoują pracę w iesprzyjających, trudych warukach tereowych. Często są to obszary górskie i leśe które z uwagi a ukształtowaie tereu (p. ciaśiy) są iedostępe dla kowecjoalych pojazdów. Ludzie korzystają wówczas ze wsparcia wolobieżych platform tereowych (rys.1). Mają oe za zadaie przejąć wyposażeie ludzi i dotrzeć z im w miejsce wykoywaia pracy [6]. W zależości od aplikacji wykorzystaia mogą oe być załogowe (rys.1a,b) lub bezzałogowe (rys.1c,d). Platformy bezzałogowe mogą być sterowae zdalie, półautoomicze lub autoomicze. Stosowae są w ich główie trzy typy układów bieżych: kołowe, gąsieicowe lub mieszae. W strefach klimatu umiarkowaego z uwagi a wahaia temperatur między porą letią i zimową, gdzie przy ujemych temperaturach wykorzystaie apędów elektryczych jest mało efektywe, coraz populariejsze stają się platformy trasportowe wyposażoe w hydrostatycze układy apędowe [1, 8, 9]. Przykłady takich rozwiązań przedstawioo a rysuku 2. Do zalet hydrostatyczych układów apędowych zaliczyć moża: [2, 6]: łatwość kształtowaia układu przeoszeia apędu od silika spaliowego do kół bieżych, możliwość uzyskaia bezstopiowej zmiay przełożeia, wykorzystywaie korzystego obszaru pracy silika spaliowego, elimiacja rozłączalych sprzęgieł, skrzyń biegów, przekładi rozdzielczych za silikiem apędowym, elimiacja przekładi rozdzielczych za skrzyiami biegów, do apędu urządzeń dodatkowych wykorzystując eergię hydrauliczą cieczy, możliwość realizowaia apędu odwrócoego, zabezpieczeie silika apędowego przed przeciążeiem, możliwość realizowaia jazdy z automatyczą zmiaą przełożeia. Rys. 2. Przykłady wolobieżych trasportowych platform tereowych z hydrostatyczymi układami apędowymi: a) IAI s UGV [10], b) platforma ExMot Pomimo szeregu zalet, dzięki którym są powszechie stosowae, hydrostatycze układu apędowe posiadają rówież wady. Rys. 1. Przykłady wykorzystywaych obecie wolobieżych trasportowych platform tereowych: a) platforma załogowa Tiger [11], b) platforma załogowa Fresia F18 [12], c) platforma bezzałogowa MULE [13], d) platforma bezzałogowa J8 [14] 876 AUTOBUSY 6/2018

2 Jedą z główych wad jest relatywie iska sprawość układu przeiesieia apędu. Jest oa zaczie miejsza w stosuku do sprawością układów mechaiczych. Sprawość apędów hydrostatyczych uzależioa jest od sprawości istalacji hydrauliczej oraz sprawości wykorzystaych kompoetów. Hydrostatycze układy apędowe są stosowae a skalę przemysłową główie w maszyach roboczych ciężkich, gdzie moc rozwijaa przez ich jedostki apędowe i przeoszoa m.i. a układ bieży jest relatywie duża. Ryek komercyjie dostępych kompoetów wykorzystywaych przy budowie hydrostatyczych układów apędowych ukierukoway jest główie a producetów maszy roboczych. Oferują oi szeroki asortymet podzespołów hydrostatyczych dedykowaych do ciężkich maszy. Masa wolobieżych platform tereowych, wykorzystywaych jako środki trasportu w trudodostępym tereie w większości przypadków ie przekracza kg [6]. Powoduje, to że siły obciążające ich układu apędowy są zaczie miejsze (w stosuku do maszy roboczych), a tym samym miejsza jest moc przeoszoa od jedostki apędowej do układu bieżego. W ich przypadku ie moża wykorzystywać elemetów hydrostatyczych dedykowaych do ciężkiego sprzętu, a dostępy asortymet kompoetów o miejszych mocach jest zaczie ograiczoy. To powoduje, że możliwości projektowaiu i kształtowaia układów apędowych wolobieżych platform tereowych są ograiczoe. Tym samym szczególy acisk powiie być położoy a uzyskaie możliwie wysokiej sprawości przeiesieia apędu od jedostki zasilającej do układu bieżego. Jest to szczególie waże, gdy zaieczyszczeia powietrza w Polsce wzrasta z roku a rok [7]. 1. SPRAWNOŚĆ HYDROSTATYCZNYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH Sprawość apędów hydrostatyczych zależy od sprawości istalacji hydrauliczej oraz sprawości wykorzystaych kompoetów. Na sprawość istalacji wpływa między iymi liczba kompoetów zajdujących się w liii tłoczej (od pompy do silika hydrauliczego). Ta z kolei zależy od rodzaju zaprojektowaego układu hydrauliczego. Układy hydraulicze mogą być projektowae jako otwarte (rys.3a) oraz zamkięte (rys.3b). W układach otwartych pompa (jedostroego działaia) zasysa czyik roboczy ze zbiorika i tłoczy go do elemetu sterującego jakim jest rozdzielacz, który kieruje go do właściwego odbiorika eergii (silika hydrauliczego). W drodze powrotej do zbiorika, czyik roboczy przepływa poowie przez rozdzielacz oraz ie elemety zajdujące się a liii zlewowej (filtr, chłodica itp.). Obecość rozdzielacza w układach otwartych koiecza jest do zmiay kieruku przepływu czyika roboczego przez silik, a tym samym kieruku obrotów wałka silika hydrauliczego. W układach zamkiętych występują dwa obwody: główy (roboczy) składający się z hydrauliczego silika apędowego i zasilającej go pompy (dwustroego działaia) oraz obwód przepłukiwaia (zapewiający wymiaę czyika roboczego i chłodzeie). Układy zamkięte ie potrzebują elemetów sterujących do zmiay kieruku obrotów wałka silika hydrauliczego. W układach zamkiętych pompa przepłukująca posiada zwykle ok. 10% wydajości pompy główej i pracuje przy stałej wartości ciśieia (ok. 2MPa). Cechy te powodują, że ajczęściej w układach apędu jazdy platform mobilych wykorzystywae są układy zamkięte, które z uwagi a miejszą liczbę elemetów a liii wysokiego ciśieia cechują się większą sprawością iż układy zbudowae jako otwarte. Ogólie sprawość hydrostatyczego układu apędowego defiiowaa jest jako stosuek mocy N2 odbieraej z silika hydrauliczego do mocy N1 doprowadzaej do pompy. η = N 2 N 1 (1) Moc N1 doprowadzaa do pompy, jest to moc, jaką trzeba doprowadzić do wału pompy. Obliczyć ją moża z zależości: N 1 = M 1 ω 1 (2) gdzie: M1 momet a wale pompy, - prędkość kątowa wału pompy. Sprawość całkowita pompy p defiiowaa jest jako stosuek mocy odbieraej z pompy Np przez układ hydrauliczy do mocy doprowadzaej do pompy N1 o obliczyć ją moża zgodie z zależością: η p = N p N 1 (3) Sprawość całkowita pompy p wyika z charakteru pracy pompy i zależy od sprawości mechaiczo hydrauliczej mh oraz wolumetryczej v i staowi iloczy obu rodzajów sprawości: η p = η mh η v (4) Sprawość mechaiczo hydraulicza mh wyika z pokoywaia przez pompę oporów tarcia wewętrzego w połączeiach ruchomych oraz oporów tarcia czyika roboczego przepływającego wewątrz pompy. Sprawość wolumetrycza v pompy charakteryzuje straty objętościowe występujące w pompie i obliczyć ją moża z astępującej zależości: η v = Q p Q t (5) gdzie: Qp rzeczywista wydajość pompy; Qt teoretycza wydajość pompy. W ujęciu hydrauliczym moc odbieraa z pompy do układu hydrauliczego Np staowi iloczy wydajości rzeczywistej pompy i przyrostu ciśieia p a pompie wyikającego z obciążeia i sprawości silika hydrauliczego psh oraz sumy spadków ciśieia spowodowaych oporami przepływu czyika roboczego przez istalację hydrauliczą pi. Moc Np obliczyć moża zatem z zależości: Rys. 3. Schematy ideowe hydrostatyczego układu apędowego: a) otwartego; b) zamkiętego 6/2018 AUTOBUSY 877

3 N p = Q p p (6) Przyrost ciśieia a pompie p obliczyć moża z zależości p = p SH + p i Przyrost ciśieia spowodoway przepływem czyika roboczego przez istalację staowi sumę elemetarych spadków ciśieia: pmi wyikających z przepływu czyika roboczego przez elemety istalacji (zawory, kolaka, złączki itp.) - staowiących straty miejscowe oraz pli wyikających z przepływu czyika roboczego przez przewody hydraulicze staowiących straty liiowe: i=0 p i = p mi + p Li Straty liiowe pli zależą od długości przewodu Li, jego średicy wewętrzej Di, prędkości przepływu czyika roboczego Vi oraz współczyika strat liiowych i: p Li = ρ λ i L i V 2 i (9) D i 2 gdzie: - gęstość czyika roboczego. Straty miejscowe pmi zależą od współczyika strat miejscowych oraz prędkości przepływu: p mi = ρ ζ V i 2 (9) 2 Wielu producetów kompoetów hydrauliczych wprost podaje charakterystyki spadku ciśieia (rys.4) przy przepływie czyika roboczego przez elemet w fukcji atężeia przepływu (prędkości przepływu). Maksymalizacja sprawości hydrostatyczych układów apędowych wymaga zatem miimalizacji elemetów wchodzących w jej skład (zawory, przyłączki, redukcje). Przewody ależy prowadzić w sposób, który zmiimalizuję liczbę koieczych do zastosowaia kolaek i zagięć (w przypadku przewodów sztywych). Rys. 4. Przykładowa charakterystyka spadku ciśieia w fukcji atężeia przepływu dzielika hydrauliczego [5] Siliki hydraulicze odwrotie iż pompy zamieiają eergię hydrauliczą czyika roboczego a eergię mechaiczą ruchu obrotowego. Aalogiczie jak pompy cechują się sprawością mechaiczo hydrauliczą oraz wolumetryczą. (7) (8) 2. DOBÓR PODZESPOŁÓW Z UWAGI SPRAWNOŚĆ HYDROSTATYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Wpływ a sprawość przeiesieia apędu wolobieżych platform tereowych poprzez zmiaę istalacji hydrauliczej jest ograiczoy. Przy zaym przestrzeym rozmieszczeiu elemetów i ograiczoych przestrzeiach do zabudowy - przewodów hydrauliczych ie moża prowadzić w sposób dowoly (średice, miimale promieie gięcia). Największy wpływ a sprawość całego układu ma właściwy dobór główych elemetów (pompy i silików). W dalszej części referatu dokoao porówaia sprawości różej wielkości silików hydrauliczych gerotorowych ze sprawością silika wielotłoczkowego dla tych samych waruków pracy. Rozważaia prowadzoo a przykładzie platformy 6x6 o skręcie burtowym, której uproszczoy schemat przedstawioo a rysuku 4. Rys. 5. Schemat ideowy aalizowaego hydrostatyczego układu apędowego wolobieżej platformy tereowej 6x6 [9] Do porówaia sprawości silików hydrauliczych jakie mogą być zastosowae w układzie apędowym przedstawioym a rysuku 5, określoo dwa reprezetatywe pukty pracy (obciążeia układu apędowego) przy założoym promieiu koła apędowego wyoszącym 0,2m: pukt 1 odpowiada wjazdowi platformy a wziesieie o achyleiu wyoszącym 60% z prędkością jazdy wyoszącą ok. 1 m/s, przy występującym współczyiku oporów toczeia 0,8; pukt 2 odpowiada jeździe platformy po podłożu płaskim z maksymalą założoą prędkością jazdy wyoszącą ok. 4 m/s, przy występującym współczyiku oporów toczeia 0,05. Przy założoej stałej masie platformy, w pukcie 1 silik hydrauliczy będzie obciążoy mometem wyoszącym ok.200 Nm, a jego wałek powiie obracać się z prędkością obrotową wyoszącą ok. 50 obr/mi. W pukcie 2 atomiast jego obciążeie zmiejszy się do ok. 90 Nm przy prędkości obrotowej wałka wyoszącej ok. 200 obr/mi. Większość producetów silików hydrauliczych w katalogach podaje charakterystyki oferowaych podzespołów [3,4,5], a które aiesioe są krzywe ich sprawości całkowitej. Pozwala to w szybki sposób a porówaie sprawości oceiaych silików. Dla określoych waruków pracy (pukty 1 i 2) dokoao porówaia sprawości czterech typów silików o budowie gerotorowej (OMPW160, OMPW200, OMPRW125 i OMRW160 cyfra ozaczeia defiiuje chłoość silika) i jede silik o budowie wielotłoczkowej MS028 i chłoości jedostkowej wyoszącej 172 cm 3 /obr. W przypadku silików gerotorowych producet podaje charakterystyki sprawości w zależości od mometu obciążającego i prędko- 878 AUTOBUSY 6/2018

4 ści obrotowej (rys.6a i b). Producet aalizowaego silika wielotłoczkowego podaje atomiast sprawość w zależości od spadku ciśieia powstałego a siliku (rys.6c) odiesioej do prędkości obrotowej podaej w procetach osiągaej prędkości maksymalej. W tym przypadku pukt 1 występuje przy spadku ciśieia wyoszącym ok. 100 bar i 10% prędkości obrotowej, a pukt 2 50 bar i ok. 30% prędkości obrotowej maksymalej. Na rysuku 6 aiesioo pukty pracy a charakterystyki silików gerotorowych różej wielkości (rys.6a i b) oraz wielotłoczkowego (rys.6c) o zbliżoej chłoości jedostkowej. Rys. 6. Pukty pracy obciążeia aiesioe a charakterystyki sprawości: a), b) silików gerotorowych o chłoościach odpowiedio 125 i 160 cm 3 /obr [3], c) silika wielotłoczkowego o chłoości jedostkowej 172 cm 3 /obr [4] W tabeli 1 zamieszczoo wartości sprawości aalizowaych silików hydrauliczych odczytaych z charakterystyk ich sprawości. Porówując siliki tej samej budowy (gerotorowe), lecz różej wielkości, dla tej samej aplikacji (pukty pracy) uzyskao do 10% różicy w ich sprawości. W silikach tych zauważala jest zacza różica (poad 25%) pomiędzy puktami pracy 1 i 2. Zdecydowaie ajwyższą sprawość uzyskao a silika wielotłoczkowego MS028 (89%). Należy zazaczyć, że jest oa jedakowa dla obu puktów pracy. Tab. 1. Porówaie sprawości różych silików hydrauliczych dla zdefiiowaych puktów pracy Typ silika Pukt pracy MS028 Sprawość całkowita, % PODSUMOWANIE OMPW 160 OMPW 200 OMRW 125 OMRW Jedą z aplikacji wykorzystaia hydrostatyczych układów apędowych staowią wolobieże platformy tereowe. Są oe wykorzystywae m.i. do zadań trasportowych, wszędzie tam, gdzie klasycze samochody ie mogą dotrzeć. Relatywie iewielkie obciążeia jakim poddawae są układy apędowe tych platform powodują, że a ryku dostępa jest ograiczoa liczba komercyjych kompoetów hydrostatyczych, które moża wykorzystać w tego typu aplikacjach. Projektując układy apędowe ależy szczególie zwrócić uwagę a ich sprawość. Największy wpływ a sprawość całkowitą układu apędowego ma właściwy dobór główych jego elemetów. Dzięki poprawemu doborowi silika hydrauliczego, moża zyskać a sprawości silika ok. 30%. W aalizie ie porówywao takich parametrów silików jak p. ich masa, wymiary zewętrze, czy cea jedostkowa. Siliki wielotłoczkowe, z uwagi a swoją skomplikowaa budowę są zaczie droższe, większe i cięższe iż gerotorowe, co oczywiście staowi istote czyiki jakie ależy brać pod uwagę projektując platformy tereowe. BIBLIOGRAFIA 1. Barticki A., Sprawka P.: Zastosowaie hydrostatyczych układów apędowych we współczesych maszyach i pojazdach lądowych, LOGITRANS, Szczyrk Budy E.: Napęd i sterowaie układów hydrauliczych w maszyach roboczych. ITE, Radom Katalog firmy Sauer - Dafoss 4. Katalog firmy Poclai 5. Katalog firmy Bosch Rexroth 6. Krogul P., Przybysz M., Rubiec A.: Trasport w trudodostępym tereie z wykorzystaiem Bezzałogowej Platformy Lądowej, Autobusy Techika, Eksploatacja, Systemy Trasportowe r 6/2016, Radom 2016, pp Lewadowska D.: Air quality estimatio usig the licheoidicative method. Archives of Waste Meagemet ad Evirometal Protectio vol.11. Lubli pp Łopatka M., Typiak A.: Kocepcja pojazdu trasportowego o wysokiej mobilości. Logistyka 3/2009. Pozań Przybysz M., Rubiec A.: Idetificati Research of Wheels Agular Velocity Sychroisatio Accuracy for 6x6 Hydrostatically Drive Mobile Robot, Proceedigs of 21 st Iteratioal Scietific Coferece Traspor Meas 2017, Kauas 2017, pp Stroa iteretowa: Stroa iteretowa: Stroa iteretowa: Stroa iteretowa: Stroa iteretowa: PODZIĘKOWANIA Prace opisae w iiejszym artykule zostały zrealizowae w ramach gratu r DOBR-BIO4/083/13431/2013 fiasowaego ze środków Narodowego Cetrum Badań i Rozwoju. 6/2018 AUTOBUSY 879

5 Hydrostatic drivetrais efficiecy of slow-movig terrai vehicles Tis paper presets issues of hydrostatic drivetrais applied i slow-movig trasport terrai vehicles. Short descriptio of such a vehicles was described. Next efficiecy of hydrostatic drivetrais ad mai factors which has ifluece o its efficiecy was discussed. It was characterized two types of hydraulic compoets efficiecy: volumetric ad hydro-mechaic. They have detrimetal effect o power loses i hydrostatic drivetrais. I fial part of the paper efficiecy of few hydraulic motors i the same load coditios was compare. Autorzy: mgr iż. Karol Kończalski Wojskowa Akademia Techicza, Wydział Mechaiczy, Istytut Budowy Maszy, tel , e mail: karol.koczalski@wat.edu.pl dr iż. Maria J. Łopatka Wojskowa Akademia Techicza, Wydział Mechaiczy, Istytut Budowy Maszy, tel , e mail: maria.lopatka@wat.edu.pl mgr iż. Mirosław Przybysz Wojskowa Akademia Techicza, Wydział Mechaiczy, Istytut Budowy Maszy, tel , e mail: miroslaw.przybysz@wat.edu.pl dr iż. Arkadiusz Rubiec Wojskowa Akademia Techicza, Wydział Mechaiczy, Istytut Budowy Maszy, tel , e mail: arkadiusz.rubiec@wat.edu.pl JEL: L62 DOI: /atest Data zgłoszeia: Data akceptacji: AUTOBUSY 6/2018